高等海洋植物海神草營養器官的組織學特點

王林桂，趙 博，黃 勃

(海南大學 海洋學院, 海南大學海洋生物實驗教學中心, 海南 海口 570228)

在所有的被子植物中, 只有大約 0.02 %能夠在海洋中進行沉水生活并能夠在海水中完成開花、結果和發芽這一過程, 這部分高等植物通常被稱為“海草”(seagrass)[1]。海草不是嚴格的分類學名詞, 而是一個生態類群的總稱。全世界共有 4科 12屬約 60種海草, 迄今中國已發現有 10屬約 20種海草[2-3]。海草從較高的潮間帶到較矮的潮下帶柔軟底部區域都有分布, 如沙灣、泥灘、瀉湖區和河口區, 并形成廣泛的單種和多種草場。在熱帶和亞熱帶地區, 海草與紅樹林和珊瑚礁是三大典型海洋生態系統[5]。

海神草(Cymodocea rotundata)屬于海神草科(Cymodoceaceae), 海神草屬(Cymodocea), 為典型的熱帶海草。在中國主要分布于臺灣, 廣東徐聞, 海南的瓊海、文昌、陵水和三亞。國內對海神草的研究主要集中在地理分布[4-5]、分類[6-7]和生態學[8-9]等方面, 有關海神草營養器官的組織學特點國內尚未見報道。本文采用常規石蠟切片技術, 系統地研究了海神草營養器官的組織學, 并闡明其對海洋沉水生活的適應性結構特征, 為海草的生物學、生態學和生理學等方面的研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗材料于2009年8月采自海南省陵水黎安港海草特別保護區。

1.2 方法

挑選健康的海草植株用海水洗凈, 將其根、莖、葉切成長度約為0.5 cm的小段并分別放入廣口瓶中,倒入FAA(75%酒精90 mL+冰醋酸5 mL+甲醛5 mL)固定液, 然后用真空泵抽氣15～30 min至材料完全下沉到瓶底。更換FAA固定液后即可長期保存備用。石蠟切片步驟參照李和平的方法[10], 切片厚度6～10 μm, 番紅—固綠雙重染色法染色, 中性樹膠封片。Olympus BH-4型顯微鏡下觀察并拍照。觀察葉表皮細胞使用直接撕取法制備了臨時裝片同時對葉片進行了凍干、噴金制備了電鏡樣品, 使用S-3000N掃描電鏡觀察、拍照。

2 實驗結果

2.1 根

從根的根毛區作橫切面, 從外至內可分為表皮、皮層和中柱三個部分(圖 1-1)。表皮是根最外面的一層細胞, 表皮細胞呈磚形, 在生長過程中表皮會逐步被破壞, 部分細胞已變形或脫落。皮層位于表皮之內維管柱之外, 由多層薄壁細胞組成, 可分為外皮層、中皮層和內皮層。皮層占根組織的相當大部分,中柱與皮層的半徑之比約為1∶27, 外皮層是表皮之下的一到幾層細胞, 其第一層細胞的緊接表皮的那面細胞壁增厚, 表皮被破壞之后將形成保護組織代替表皮起保護作用。中皮層主要由薄壁細胞和通氣組織組成, 通氣組織非常發達, 是由薄壁細胞收縮解體并由殘留的細胞壁形成的車輪樣輻射狀氣腔結構; 薄壁細胞胞間隙明顯(圖 1-2)。內皮層是皮層最里面的一層細胞, 排列緊密而整齊, 具有凱氏帶且細胞壁六面加厚, 未發現通道細胞。中柱由中柱鞘、初生木質部和初生韌皮部組成。中柱鞘緊接內皮層,由一層薄壁細胞組成, 中柱中韌皮部較發達, 木質部退化, 只可見4個大型導管, 韌皮部與木質部的導管相間排列(圖1-3)。

2.2 莖

莖由表皮、基本組織和維管組織三個部分構成(圖 1-4)。表皮是位于莖最外面的一層細胞, 表皮細胞較小, 壁厚, 排列緊密無胞間隙, 表皮細胞外均勻覆蓋有角質層, 沒有氣孔器分布。表皮以內, 除了維管束之外的所有區域皆為基本組織, 基本組織由薄壁細胞組成, 細胞較大, 近圓形, 胞間隙發達, 隨莖的生長胞間隙逐漸裂生形成發達的通氣組織, 與根中通氣組織不同的是莖中的通氣組織是由許多薄壁細胞相互聯接而形成的網狀結構。維管組織分布于基本組織中, 有1束中央維管束和數束外環維管束。中央維管束較外環維管束大, 位于莖的中央部分。而外環維管束呈環狀散布于基本組織外側(圖 1-5)。維管束為有限外韌維管束, 有氣隙分布(圖1-6)。

2.3 葉

葉片由表皮、葉肉和葉脈三部分構成(圖 1-7)。葉片的上下表皮均由單層細胞構成, 排列規則而緊密, 其外壁覆蓋一層連續的角質層。表皮細胞富含葉綠體, 未見氣孔分布, 但葉片上下表皮均發現一特殊結構被番紅染為紅色, 細胞壁較其他表皮細胞薄,無規則散布, 具有大液泡(圖 1-12), 因其結構與禾本科植物葉表泡狀細胞相似, 故命名為類泡狀細胞。葉肉由薄壁細胞組成。細胞較大, 層次少, 沒有柵欄組織和海綿組織的分化, 僅含有少量葉綠體, 通氣組織非常發達(圖 1-8)。從葉片的橫切面觀察可發現在通氣組織中有一特殊結構, 該結構由許多具有葉綠體的薄壁細胞組成, 胞間隙大(圖1-13)。而從葉片的縱切面觀察發現通氣組織并非直接縱貫于葉片中,而是由多個氣腔排列而成, 相鄰氣腔由這一特殊結構連接而成的, 故將其命名為氣道橫隔(圖1-12)。葉脈由初生木質部、初生韌皮部和維管束鞘組成。相鄰葉脈間有 2～4個氣道分布。葉脈內的維管束為有限外韌維管束, 束中有氣隙分布(圖1-11)。在葉脈兩側及葉緣處都分布有厚壁細胞(圖1-9)。

通過觀察葉表水裝片, 發現葉表皮細胞排列十分規則, 細胞邊界明顯, 無氣孔分布, 有類泡狀細胞分布(圖1-13)。通過掃描電鏡, 也觀測到同樣結構(圖1-14)。

3 討論

關于海草的起源有兩種不同的觀點, 其中以Arber為代表的學者認為海草由很早以前適應水生生活的祖先演化而來, 從淡水環境逐步過渡到咸淡水環境, 最后適應海洋環境。以den Hartog[3]為代表的學者認為海草是由第三紀中新世(大約 2400萬年前)的耐鹽性陸生植物演化而來, 這種觀點主要源于化石資料的記載。現在仍以第一種觀點占主導。相對于陸生單子葉植物而言, 海草營養器官的形態結構發生了很多特化, 如具有發達的通氣組織; 機械組織不發達; 葉表皮細胞富含葉綠體; 葉表無氣孔器分布等等; Arber等[2]認為這些變化也出現在淡水生植物中, 通常被認為是適應水生環境的結構特征。

從海神草營養器官的顯微結構可看出通氣組織是貫穿整個植株的一種結構(圖1-2, 圖1-5, 圖1-8),從而使氣體可以在植株的內部流通。通氣組織是植物薄壁組織內的一些氣道或空腔的集合。通氣組織通常有溶生性和裂生性兩類[12]。在海神草的營養器官中同時出現了這兩類通氣組織, 根的通氣組織屬于溶生性, 而莖和葉的通氣組織則屬于裂生性。這是否與海草的科屬的特異性有關, 有待進一步研究。

從葉片的顯微結構觀察發現氣道并非直接縱貫整個葉片, 而是由多個氣腔通過一特殊結構連接而成, 這一特殊結構本文命名為氣道橫隔(圖 1-12, 圖1-13), 該結構未見報道。氣道橫隔位于氣腔與氣腔的連接處, 組成橫隔的細胞個體很小, 細胞間隙很大, 可以在支撐氣道的同時便于氣腔間氣體的流通。在氣道橫隔細胞中也發現有少量葉綠體存在, 故該結構也可進行光合作用。

圖1 海神草營養器官的組織結構Fig.1 Histological structure of Cymodocea rotundata vegetative organs

陸生單子葉植物的葉綠體主要存在于葉肉細胞中, 表皮細胞一般不含葉綠體, 葉肉細胞是光合作用的主要場所。而海神草的表皮細胞幾乎完全被葉綠體充滿(圖1-14), 葉肉細胞中僅有零星葉綠體分布,因此, 表皮細胞是海神草光合作用的主要場所。這是海神草對海水中低光照強度的適應性特征。

海神草的葉表皮上無氣孔分布。葉春江等人認為, 這一方面說明海草對海水中的O2和CO2的需求較少; 另一方面說明, 氣體交換的功能主要是由通氣組織或其他途徑實現的[13]。光合作用產生的O2會在葉片的氣道里富集, 而根、莖部呼吸作用產生的CO2會在根、莖處的氣道里積累, 遍布植株的氣道使得海草僅通過無需能量消耗的自由擴散即可在葉片與根、莖間進行O2與CO2的互補。海神草的這種結構使其對海水中的氧氣和無機碳源的依賴性降低,是其對海洋沉水生活的適應。

僅僅利用自身呼吸作用產生的 CO2作為無機碳源顯然是不夠的, 海水中的無機碳有三種存在形式,即自由CO2、離子態的重碳酸鹽(HCO3–)以及碳酸鹽(CO32–), 在PH為8.2水溫15℃條件下, 海水中HCO3–濃度分別是 CO2和 CO32–濃度的 150倍和 6倍[14],Sven Beer等人的研究證實了海神草屬的Cymodocea nodosa、喜鹽藻屬的Halophila ovalis以及大葉藻屬的Zostera marina可以利用海水中的 HCO3–作為無機碳源[14-15]。研究發現海草可利用碳酸酐酶(carbonic anhydrase, CA)將HCO3–催化為CO2擴散進入細胞內,CA主要存在于細胞膜附近, 細胞外也有分布, 胞外的 CA 加速了 HCO3–向 CO2的轉化, 可使海草在低CO2條件下得到充足的無機碳源[16]。

海神草葉的表皮細胞外壁覆蓋一層連續的角質層, 導致其高度的不通透, 對營養元素的吸收必然局限于某些特定位點。葉春江等人對大葉藻的研究認為葉片是海草重要的營養吸收部位。但葉表皮細胞與海水接觸面的細胞壁非常厚而且質地致密, 具有高度不通透性。由于這一結構的不通透性, 在葉表的特定位點上進行物質交換, 有利于對物質的選擇性吸收[13]。在海神草葉的顯微結構中發現葉表有一特殊結構——類泡狀細胞, 細胞壁較表皮細胞壁薄,具有大液泡(圖1-10, 圖1-14, 圖1-15)。作者認為類泡狀細胞正是這一可進行物資交換的特定位點。

海神草的葉呈帶形, 在葉脈兩側及葉緣處均分布有少量的厚壁細胞(圖 1-9), 這些厚壁細胞共同構成整個葉片的機械組織。機械組織不發達, 葉片仍較為柔軟, 但機械組織能夠維持葉片形狀, 同時使葉片具有較好的韌性。因此, 葉片可隨著海流擺動, 是其對海洋環境的適應。

海神草根的內皮層中具有凱氏帶且細胞壁六面加厚, 未發現通道細胞(圖 1-3), 表明海神草的根對溶質的篩選更為嚴格。大多數的單子葉植物和部分雙子葉植物, 其內皮層細胞壁在發育的早期為凱氏帶形式, 之后進一步發育形成五面加厚的細胞, 僅外切向壁仍保持薄壁狀態, 并留有通道細胞, 以此控制物質的轉運, 個別植物有六面加厚的情況。對于內皮層既有凱氏帶且細胞壁六面加厚, 又沒有通道細胞的現象未見報道, 該種結構的內皮層如何控制水分和溶質進入中柱, 有待進一步研究。

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